¿Por qué debería utilizar un pote logarítmico para aplicaciones de audio?

Question

Me dio mucha curiosidad leerlo esta respuesta de Spehro Pefhany . Allí Spehro comenta que hay que usar un pote logarítmico para aplicaciones de audio. Así que busqué en Google.

El mejor artículo que pude encontrar fue uno titulado "Diferencia entre potenciómetros de audio y lineales" [1] que ahora parece haber sido eliminado del sitio web original.

Allí dijeron esto:

Lineal vs. Audio

Los potenciómetros, o "pots" para los aficionados a la electrónica, se diferencian por la rapidez con la que cambia su resistencia. En los potenciómetros lineales, la cantidad de resistencia cambia en un patrón directo. Si lo giras o deslizas hasta la mitad, su resistencia estará a mitad de camino entre sus ajustes mínimo y máximo. Eso es ideal para controlar las luces o un ventilador, pero no para los controles de audio. Los controles de volumen tienen que adaptarse al oído humano, que no es lineal. En cambio, los potenciómetros logarítmicos aumentan su resistencia en una curva. En el punto medio, el volumen seguirá siendo moderado, pero aumentará bruscamente a medida que siga subiendo el volumen. Esto se corresponde con la forma en que oye el oído humano.

Bueno, no estoy satisfecho.

• ¿Qué significa que el oído humano no es lineal?
• ¿Cómo se relacionan los cambios de registro en la resistencia del bote con las ondas sonoras y el funcionamiento del oído humano?

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[1] El enlace original (ahora roto) era http://techchannel.radioshack.com/difference-audio-linear-potentiometers-2409.html .

Answer 1

Considera esto: -

El nivel de sonido se mide en dB y, un aumento/disminución de 10 dB en la señal equivale a una duplicación/disminución del volumen percibido por el oído/cerebro.

Observe la imagen de arriba y pregúntese cuál es la mejor opción para el control de volumen suave (junto con el extenso). Abajo están las curvas de Fletcher Munson que muestran el rango completo de decibelios que un humano puede oír cómodamente. Tenga en cuenta que, a menos que su sistema estéreo sea muy potente, un rango de 100 dB es "más o menos correcto" para el control del volumen. Las curvas de Fletcher Munson también relacionan la sonoridad con el tono de un sonido. Tenga en cuenta también que las curvas están normalizadas a 1kHz en pasos de 10 db: -

Aproximadamente, cada 10% de recorrido de la aguja del potenciómetro LOG puede reducir/aumentar el volumen en 10 dB, mientras que un potenciómetro LIN tendrá que moverse hasta su posición media para reducir el volumen en sólo 6 dB. Cuando un pote lineal está cerca del extremo inferior de su recorrido (menos del 1% del movimiento restante) estará haciendo saltos masivos en la atenuación de dB por sólo un pequeño movimiento, por lo que sería muy difícil ajustar el volumen con precisión a un nivel bajo.

También vale la pena señalar que un pote de LOG sólo es capaz de soportar un cierto rango dinámico de ajuste antes de hacer lo mismo (por debajo de -100 dB), pero, el punto es que esto apenas se notará en el extremo más pequeño y silencioso de su recorrido.

También puede notar que las marcas en un pote como CW y CCW le indican qué extremo de un pote es el de tierra y el de alto volumen. CW = en sentido de las agujas del reloj y CCW son los puntos finales en sentido contrario a las agujas del reloj para el limpiaparabrisas.

Answer 2

¿Qué significa que el oído humano no es lineal?

En este contexto, si el oído humano fuera lineal, una onda sonora con el doble de potencia que otra sonaría el doble de fuerte.

Sin embargo, el hecho es que una onda sonora debe tener 10 veces la potencia de otro para que suene el doble de fuerte.

¿Cómo se relacionan los cambios de registro en la resistencia de la olla con las ondas sonoras y el funcionamiento del oído humano?

Supongamos que el potenciómetro ( control de volumen ) varía la potencia de la señal aplicada al altavoz y supone que el amplificador puede producir un máximo de 100W.

Supongamos que el pote es lineal, que el control está marcado uniformemente de 1 a 100 y que empezamos con el control ajustado a 100 - hay 100W de potencia enviada al altavoz.

A reducir a la mitad el volumen, reduciríamos la salida a 10W lo que requeriría girar el control de volumen 90% CCW a la marca "10" .

A reducir a la mitad el volumen de nuevo, querríamos sólo 1W lo que requeriría girar el control de volumen a la marca "1" .

A reducir a la mitad el volumen de nuevo, querríamos sólo 0,1W y... ¿ves el problema?

Sin embargo, si el bote fuera logarítmico, el espacio en el mando entre 0,1W y 1W, 1W y 10W, y 10W y 100W sería todo lo mismo . Si hubiera diez marcas, espaciadas uniformemente, tendríamos algo como:

0, 1mmw, 10mmw 100mmw, 1mW, 10mW, 100mW, 1W, 10W, 100W

Así que pasamos de no tener sonido a ser apenas audible, al doble, al doble, al doble, etc.

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Esta adición es para responder a una pregunta planteada en el hilo de comentarios bastante largo. Según @BenVoigt, el hipotético atenuador propuesto más arriba hace no ajustar el nivel de sonido de manera uniforme.

@Alfred: Voy a repetir mi comentario anterior, ya que claramente lo has pasado por alto sobre él: "tu dial tiene "loudness 1, 2, 4, 8, 16, 32 ... 1024" como sus ticks igualmente espaciados. Un clic en la parte inferior es un cambio de 1 unidad de volumen. Un clic en la parte superior es un cambio de 512 unidades de sonoridad". 1 y 512 son cambios muy diferentes.

Como no he podido convencer a Ben de su error ni éste ha podido convencerme del mío en el hilo de comentarios, me gustaría abordar esta disputa en esta adenda.

Según esta fuente la diferencia apenas perceptible en la intensidad del sonido es de aproximadamente 1dB:

aproximadamente 1 decibelio es la diferencia apenas perceptible (JND) en la intensidad del sonido para el oído humano normal.

Si la intensidad del sonido varía en 1dB, se sólo notar el cambio de volumen.

Así, se deduce que si nuestro hipotético atenuador escalonado ajustara la atenuación en incrementos de 1dB, el ajuste del control en 1 paso haría que el sonido sólo notablemente más fuerte o más suave para el oído humano.

En otras palabras, este atenuador ajustar suavemente el volumen del sonido en incrementos apenas perceptibles, en toda la gama.

Así que, en lugar de 10 pasos espaciados uniformemente como he dado anteriormente, imagina 100 pasos espaciados uniformemente en el control.

Cada paso cambia la potencia en 1dB; girar el control CW 1 paso aumenta la potencia en un factor de 1,2589...; girar el control CCW 1 paso disminuye la potencia en un factor de 0,79433...

Por ejemplo, si el control estuviera ajustado a una salida de 1W, al girar el control 10 pasos se incrementaría la potencia en \$(1.2589...)^{10} = 10\$ a 10W. Si se sintoniza el control CW otros 10 pasos, la potencia aumentaría en otro factor de 10 hasta los 100W.

Pero esto difiere del atenuador anterior sólo en la resolución, es decir, sólo hemos aumentado el número de marcas (uniformemente espaciadas) entre las marcas originales.

Además, se cuestiona en el hilo si se trata de un atenuador logarítmico.

He dicho explícitamente que la relación que describes no es lineal, y no logarítmica, es una potencia.

Recordando que la relación \$y = \log(x)\$ implica \$x = 10^y\$ Si un bote es logarítmico, hay necesariamente una relación de potencia (o exponencial) implícita.

Es decir, podemos decir que en el atenuador anterior, el número de pasos necesarios para cambiar la potencia en algún factor es proporcional al logaritmo de dicho factor.

Por ejemplo, para cambiar la potencia por un factor de 5, por ejemplo, para aumentar la potencia de 1W a 5W, requiere girar el control

$$10 \log(5) \approx 7$$

7 pasos.

Así, el número de pasos (o cambio de ángulo de una olla) es logarítmico en la potencia.

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2ª adenda para tratar otros comentarios.

Según @BenVoigt, las respuestas dadas aquí son engañosas o simplemente erróneas:

Pero tengo la impresión general al leer cualquiera de estas respuestas que la resistencia logarítmica invierte la respuesta biológica, y luego mirar más de cerca las matemáticas descritas y darse cuenta de que no es cierto.

Quiero demostrar que un bote logarítmico es lo que se desea, pero no porque invierta la respuesta biológica (que no creo que nadie haya afirmado ni sea lo que se desea, como demostraré más adelante).

Partiendo de la conocida (y aproximada) "regla general" de que 10 veces la intensidad se percibe como 2 veces el volumen, escribamos la siguiente relación entre relativa volumen \$l\$ y relativa intensidad \$k\$ :

$$l = 2^{\log k}$$

Evidentemente, si la intensidad relativa \$k\$ es 10, entonces la sonoridad relativa \$l\$ es 2 como se desea.

Para nuestro atenuador escalonado de 1dB, la potencia relativa viene dada por:

$$k = 10^{n/10}$$

Combinando las dos ecuaciones anteriores, tenemos que la sonoridad relativa es

$$l = 2^{n/10}$$

Así, para cada paso la sonoridad aumenta en un factor de 1,0718... o disminuye en un factor de 0,93303...

Pero esto es lo que queremos . No queremos que la sonoridad aumente en una cantidad fija en cada paso, queremos que el relativa que el volumen aumente en una cantidad fija en cada paso.

De ahí la necesidad de un atenuador logarítmico.

Answer 3

Andy ha respondido a esto, y ha insinuado al final que las ollas con forma de A (tronco) no son perfectas. Aquí hay una comparación entre la respuesta ideal de un tronco y lo que hace realmente un bote comercial de tronco (tomado de aquí ):

Es una aproximación lineal de dos segmentos a la conicidad ideal del tronco (línea discontinua). Es una aproximación tosca, pero que funciona bien en muchos casos.

Observe también las partes planas al final incluso de la curva lineal (B-taper) del pote. Eso es cuando el limpiaparabrisas se acerca a los extremos del recorrido en cualquier dirección.

A menudo, hoy en día, se implementa un control de volumen electrónico que tiene pasos constantes de dB de atenuación o ganancia.

Aquí es un ejemplo de hoja de datos para el PGA2320. Tiene una ganancia ajustable de +31,5dB a -95,5dB en pasos de 0,5dB. Un paso de 0,5dB se considera apenas perceptible. Es un número de 8 bits para seleccionar el nivel de volumen (255 niveles más el de silencio). Si trataras de simular eso con un DAC multiplicador lineal (MDAC), necesitarías algo como \$4\cdot10^6\$ pasos para obtener una resolución de 0,5 dB en el extremo inferior (aproximadamente un DAC de 22 bits).

Answer 4

Aunque esta pregunta se ha respondido adecuadamente, algunas de las respuestas me resultaron confusas, y esto es algo especial para mí, así que aquí hay un intento de respuesta más sencilla:

¿Qué significa que el oído humano no es lineal?

El oído humano percibe la intensidad de forma diferente a como es el mundo en realidad. En el mundo, el sonido tiene una propiedad llamada "Volumen", (o intensidad del sonido) que percibimos como " Sonoridad ." Una duplicación del volumen no produce una duplicación de la sonoridad, y esto es lo que se denomina "no lineal".

¿Cómo se relacionan los cambios de registro en la resistencia del bote con las ondas sonoras y el funcionamiento del oído humano?

La idea de utilizar potes logarítmicos es que copian mejor la percepción de la realidad que tiene el oído humano: cuando movemos el pote una cantidad fija, queremos percibir la misma cantidad de cambio, independientemente del punto de partida del pote. (Por cierto, el oído humano no es el único que percibe las cosas de esta manera: La mayor parte de la percepción humana se rige por el llamado Ley Weber-Fechner Pero el oído es especialmente sensible porque el sonido más fuerte que podemos escuchar cómodamente es aproximadamente 1 millón de veces más fuerte que el sonido más silencioso que podemos oír).

Esto funciona bien para los controles de ganancia (incluyendo los controles de ganancia como parte de un ecualizador u otro circuito), pero no todo en el audio debe ser log-taper: los controles de balance/pan por ejemplo.

Answer 5

Los sonidos son la presión. Como un globo. Estás poniendo More Than a Feeling a un volumen de 1 en tu radio, y estás a 3 metros de distancia, luego te mueves a 6 metros, tienes que subir el volumen. La radio es el centro del globo, ¿quieres que un globo de 5 pies se convierta en un globo de 10 pies? El volumen de aire requerido no se duplica, ¿verdad? Es mucho más. En realidad, para un globo es cerca de 8 veces. Pero nuestro cerebro no funciona así. Cambiar el dial de tu radio de 1 a 8, sólo porque te has movido 3 metros, parecería "incorrecto". Por lo tanto, utiliza un potenciómetro de tronco, luego cámbialo de 1 a 2 aproximadamente, y tendrás los dulces sonidos de Boston sonando en tus oídos al volumen "correcto".